Konstnärens intryck av Mars Base Camp i omloppsbana runt Mars. När uppdragen till Mars börjar, en av de största riskerna kommer att vara den som rymdstrålningen utgör. Kredit:Lockheed Martin
1972, rymdkapplöpningen avslutades officiellt när NASA skickade en sista besättning av astronauter till ytan av månen (Apollo 17). Detta var mässingsringen som både USA och sovjeterna sträckte sig efter, "månskottet" som skulle avgöra vem som hade överhöghet i rymden. I den nuvarande tidsåldern av förnyad rymdutforskning, nästa stora språng kommer helt klart innebära att astronauter skickas till Mars.
Detta kommer att innebära många utmaningar som måste åtgärdas i förväg, många av dem har att göra med att helt enkelt få dit astronauterna i ett stycke! Dessa utmaningar var föremål för en presentation som gjordes av två indiska forskare vid SciTech Forum 2020, ett årligt evenemang som arrangeras av International Academy of Astronautics (IAA), RUDN University, och American Astronomical Society (AAS).
Studien som beskriver deras forskningsresultat dök nyligen upp online och har godkänts för publicering av Advances in Aeronautical Sciences (publiceringsdatum väntar). Både det och presentationen som gjordes vid SciTech Forum 2020 genomfördes av Malaya Kumar Biswal och Ramesh Naidu Annavarapua - en doktorandforskare och docent i fysik från Pondicherry University, Indien (respektive).
Deras forskning var också föremål för en presentation som gjordes under den sjunde sessionen av Space Biology Virtual Workshop som arrangerades av Lunar Planetary Institute (LPI) – som ägde rum mellan den 20:e och 21:a januari. Som Biswal och Annavarapua indikerade i sina studier och presentationer, Mars intar en speciell plats i hjärtan och sinnen hos forskare och astrobiologiska forskare.
Bredvid jorden, Mars är den mest beboeliga platsen i solsystemet (med markmässiga standarder). Flera rader av bevis som samlats under loppet av decennier har också visat att det kan ha stött livet på en gång. Tyvärr, att skicka astronauter till Mars kommer oundvikligen att innebära ett antal distinkta utmaningar, som uppstår från logistik och teknik till mänskliga faktorer och de avstånd som är involverade.
Att ta itu med dessa problem i förväg är av största vikt om NASA och andra rymdorganisationer hoppas kunna genomföra de första besättningsuppdragen till Mars under nästa decennium och därefter. Baserat på deras analys, Biswal och Annavarapu identifierade 14 distinkta utmaningar, som inkluderar (men är inte begränsade till):
Alla dessa utmaningar upplever en viss grad av överlappning med en eller flera av de andra listade. Till exempel, en uppenbar fråga när det gäller planering av uppdrag till Mars är det stora avståndet. På grund av detta, uppskjutningsfönster mellan jorden och Mars inträffar bara vartannat år när våra planeter är närmast varandra i sina banor (d.v.s. när Mars är i "opposition" i förhållande till solen).
Under dessa fönster, en rymdfarkost kan göra resan från jorden till Mars på 150 till 300 dagar (cirka fem till tio månader). Detta gör återförsörjningsuppdrag opraktiska eftersom astronauter inte kan vänta så länge på att ta emot välbehövliga transporter av bränsle, mat, och annat levereras. Som Biswal berättade för Universe Today via e-post, de inblandade avstånden skapar också problem när det gäller astronautsäkerhet och kraftgenerering:
"I händelse av en nödsituation, vi kan inte ta tillbaka astronauter från Mars [som vi skulle kunna] i fallet med LEO eller Lunar Missions... På samma sätt, avstånd minskar solflödet från jordens omloppsbana till Mars omloppsbana, vilket resulterar i underskottet kraftproduktion som är mycket betydelsefull för att driva fordon och bibehålla termisk stabilitet (som återigen kan det långa avståndet leda till låg miljötemperatur som orsakar hypotermi och frostbildning (särskilt i munnen) ."
Med andra ord, att helt enkelt komma till Mars presenterar flera specifika utmaningar som Biswal och Annavarapu inkluderade i sin analys. När man talar om astronauts hälsa och säkerhet, det finns flera specifika utmaningar som spelar in även här. Till exempel, det faktum att astronauter kommer att tillbringa flera månader i rymden skapar alla möjliga risker för deras fysiska och mentala hälsa.
Till att börja, det är den psykologiska avgiften av att vara begränsad till en rymdfarkosthytt med andra astronauter. Det finns också den fysiska belastningen av långvarig exponering för en mikrogravitationsmiljö. Som forskning ombord på den internationella rymdstationen (ISS) har visat – särskilt, NASA:s tvillingstudie – att spendera upp till ett år i rymden tar avsevärd vägtull på människokroppen.
Utöver förlust av muskel- och bentäthet, astronauter som tillbringat långa perioder ombord på ISS upplevde också synförlust, genetiska förändringar, och långvariga problem med deras kardiovaskulära system och cirkulationssystem. Det har också förekommit fall av psykologiska effekter, där astronauter upplevde höga nivåer av ångest, sömnlöshet, och depression.
Men som Biswal indikerade, den enskilt största och mest uppenbara utmaningen är all strålning (sol och kosmisk) som astronauterna kommer att utsättas för under hela uppdraget:
"[De] största farorna inkluderar risken för långvarig cancer och dess effekter på grund av exponering för både interplanetär strålning (under Mars-transit) och ytstrålning (under längre ytvistelse). Sedan, effekten av strålning orsakar felaktig hjärnkoordinationsfunktion och andra hjärnrelaterade sjukdomar; sedan den psykologiska effekten av besättningen under fullständig isolering. Eftersom det bemannade uppdraget är beroende av astronautens prestanda, astronauten upplever fler hälsorelaterade problem."
I utvecklade länder, människor på jorden exponeras för i genomsnitt cirka 620 millirem (62 mSv) årligen, eller 1,7 millirems (0,17 mSv) per dag. Under tiden, NASA har genomfört studier som har visat hur ett uppdrag till Mars skulle resultera i en total exponering på cirka 1, 000 mSv under en period på två och ett halvt år. Detta skulle bestå av 600 mSv under en årslång tur och retur, plus 400 mSv under en 18-månaders vistelse (medan planeterna justerades om).
Vad det betyder är att astronauter kommer att exponeras för 1,64 mSv om dagen under transporten och 0,73 mSv för varje dag de vistas på Mars – det är över 9,5 och 4,3 gånger det dagliga genomsnittet, respektive. De hälsorisker som detta innebär kan innebära att astronauter skulle drabbas av strålningsrelaterade hälsoproblem innan de ens anländer till Mars, för att inte säga något om ytoperationerna eller returresan.
Lyckligtvis, det finns begränsningsstrategier för transit- och ytdelarna av uppdraget, av vilka Biswal och Annavarapua rekommenderar. "Vi håller för närvarande på att utveckla en underjordisk livsmiljö på Mars som skulle kunna ta itu med alla hälsorelaterade frågor under det utökade uppdraget eller permanenta bosättningen på Mars, ", sa Biswal. "[D]en besättningsuppdrag bör inkludera snabbare produktion av besättningens förnödenheter från in-situ resurs [användning] (ISRU)."
En illustration av en månbas som kunde byggas med 3D-utskrift och ISRU, resursutnyttjande på plats. Kredit:RegoLight, visualisering:Liquifer Systems Group, 2018
Detta förslag är i linje med de många uppdragsprofiler som NASA och andra rymdorganisationer utvecklar för framtida mån- och marsutforskning. Det finns redan många befintliga strategier för att hålla besättningar skyddade från strålning i rymden, men i utomjordiska miljöer, alla koncept innefattar användningen av lokala resurser (som regolit eller is) för att skapa naturlig avskärmning.
Den lokala tillgången på is ses också som ett måste för att säkerställa en jämn vattenförsörjning för mänsklig konsumtion och bevattning (eftersom astronauter på långvariga uppdrag kommer att behöva odla mycket av sin egen mat). Bortsett från allt det, Biswal och Annavarapu betonade hur att upprätthålla en snabb flyg- och returbana kommer att bidra till att minska restiden.
Det finns också möjlighet att dra nytta av avancerad teknik som kärn-termisk och nukleär-elektrisk framdrivning (NTP/NEP). NASA och andra rymdorganisationer forskar aktivt på kärnraketer eftersom en rymdfarkost utrustad med NTP eller NEP kan göra resan till Mars på bara 100 dagar. Men som Bisawl och Annavarapu indikerade, detta väcker utmaningen att hantera kärnkraftssystem och mer exponering för strålning.
Ack, alla dessa utmaningar kan hanteras med rätt kombination av innovation och förberedelse. Och när du tänker på lönerna av att skicka besättningsuppdrag till Mars, utmaningarna verkar mycket mindre skrämmande. Som Biswal erbjöd, dessa inkluderar närhet, möjligheterna att studera marsjordprover i ett jordlaboratorium, utvidgningen av våra horisonter, och förmågan att svara på grundläggande frågor om livet:
"Vi har alltid varit fascinerade av att veta var vi har kommit ifrån och om det finns något liv som vi i andra astronomiska kroppar? [Vi kan inte utföra ett besättningsuppdrag till någon annan interplanetär destination på grund av uppdragsrisk och ledning.
"Mars är den enda grannplaneten i vårt solsystem vi kan utforska, det [har] ett bra geologiskt rekord för att svara på alla [av] våra olösta frågor, och [kan] ta med prover [tillbaka] för att analysera i vårt terrestra labb?" Och slutligen, det skulle vara intressant att utföra ett mänskligt uppdrag till Mars för att demonstrera omfattningen av nuvarande teknologi och rymdutveckling."
Konstnärens koncept av en bimodal kärnraket som gör resan till månen, Mars, och andra destinationer i solsystemet. Kredit:NASA
Sedan början av 1960-talet, rymdorganisationer har skickat robotuppdrag till Mars. Sedan 1970-talet, några av dessa uppdrag har varit landare som satt ner på ytan. Med de över fyrtio år av data och expertis som har resulterat, NASA och andra rymdorganisationer försöker nu tillämpa det de har lärt sig så att de kan skicka de första astronauterna till Mars.
De första försöken kan fortfarande vara över ett decennium (eller mer) bort, men endast om betydande förberedelser sker i förväg. Inte nog med att många uppdragsrelaterade komponenter och infrastruktur fortfarande behöver utvecklas, men mycket forskning återstår fortfarande. Tack och lov, dessa ansträngningar drar nytta av de typer av grundliga bedömningar vi ser här, där alla potentiella risker och faror utreds (och motåtgärder föreslås).
Allt detta kommer förhoppningsvis att leda till skapandet av ett hållbart program för utforskning av Mars. Det kan till och med möjliggöra den långsiktiga mänskliga ockupationen av Mars och skapandet av en permanent koloni. Tack vare insatserna från många forskare och vetenskapsmän, dagen kan äntligen komma då det finns något sådant som "marsbor".
